氨-柴油双燃料（ADDF）船用发动机排气阀多循环热积累与稳定温度响应：氨能量比（AER）对热关键区及稳定时间尺度的影响

《Case Studies in Thermal Engineering》：Multi-cycle thermal accumulation and stabilized temperature response of an exhaust valve in an ammonia-diesel dual-fuel marine engine

　　

氨-柴油双燃料（ADDF）发动机作为降低船用推进碳排放的有前景途径日益受到关注。氨的引入显著改变缸内燃烧过程及热端部件气侧热边界条件，从而改变排气阀的热暴露和温度响应。同时，连续运行中排气阀的热积累与稳定响应仍认识不足，尤其是由反复气侧加热和固体热惯性控制的周期间温度变化。研究人员建立计算流体动力学（CFD）与有限元（FE）耦合框架，研究ADDF船用发动机排气阀的多循环热积累与稳定响应。将从经验证的代表性循环CFD模拟中提取的瞬态气侧热边界条件周期性映射到连续发动机循环，并施加于排气阀瞬态热传导模型。结果表明，在发动机转速1600 rpm下，排气阀在循环运行早期发生显著热积累，最快速温升出现在前1000循环内，对应约75 s实际运行，并在约3000循环后达到周期稳定热状态，对应约225 s。整个多循环过程中，最高温度始终位于阀头底面与外缘交界附近，该处气侧加热与阀头导热路径耦合。当氨能量比（AER）从20%增至80%时，在本文阀几何和工况下，稳定最高温度降低约50 K，热稳定所需循环数仅由3078略变至3014。这些结果表明，AER主要影响稳定温度水平，而其对于热稳定时间尺度的影响有限，因为各工况下阀几何、材料热惯性和散热路径未变。研究结果阐明了AER依赖的气侧热边界如何驱动阀温积累和稳定热水平，并为识别ADDF运行条件下排气阀热关键区和温度相关服役边界提供依据。

随着航运业碳排放法规趋严，氨因无碳燃烧被视为绿色航运的重要路径，并可在有限改造下引入现有船用柴油机。但氨的引入会改变缸内燃烧过程与热条件，进而改变热端部件热负荷；排气阀在换气期直接暴露于高温燃烧气体并承受强瞬态热流，长期高温暴露和反复加热—冷却循环易导致热疲劳、变形和腐蚀，影响服役性能、发动机耐久性与可靠性。现有研究多关注氨能量比（AER，氨所提供能量占总燃料能量的比例）对缸内燃烧、排放和热效率的影响，而AER依赖的缸内热场如何经连续循环传递为排气阀热负荷仍认识不足；热—机械分析多采用稳态假设或单循环/循环平均热负荷，难以直接解析数千循环累积热效应及从初始瞬态加热到周期稳定的时间尺度。为此，研究人员建立计算流体动力学（CFD）与有限元（FE）耦合框架，开展ADDF船用发动机排气阀多循环热积累与稳定响应研究，并分析不同AER下的空间温度分布、热积累、周期稳定热响应及稳定循环数。结果表明，在1600 rpm下，排气阀早期热积累显著，前1000循环（约75 s）温升最快，约3000循环（约225 s）达到周期稳定热状态；最高温度始终位于阀头底面与外缘交界附近；AER由20%增至80%时，稳定最高温度降低约50 K，稳定循环数由3078略变至3014。该研究为识别热关键区和温度相关服役边界、开展排气阀热设计、材料评价和耐久性评估提供了定量依据。

关键技术方法（不超过250字）：采用代表性循环三维瞬态CFD（计算流体动力学）获取近阀流场与温度场，设置RNG k-ε湍流、KH-RT喷雾破碎、Han and Reitz壁面传热、SAGE详细化学及n-庚烷/氨机理（112种、786个基元反应），4.0 mm基网格，峰值缸压与HRR（热释放率）绝对相对误差分别为5.1%和6.0%；按S₁–S₅（阀底面、外缘面、座合侧、杆侧暴露面、阀杆面）区域提取T_f,i(t)（近阀燃气温度）和h_i(t)（对流换热系数），周向平均后施加于二维轴对称FE（有限元）瞬态热传导模型，Ni80A合金物性随温度变化，初温293 K，逐周期继承固体温度场，以ε=0.01、k=100循环判据求n_stable（稳定循环数）。发动机几何与验证数据由制造商提供，来自1600 rpm、75%负荷台架试验，具体型号保密。

研究结果：3.1 四冲程发动机循环内缸内流动演化。通过代表性循环CFD获得不同曲轴转角速度场，进气期由进气射流主导，压缩期活塞上行增强挤流与湍流，燃烧期高温高压气体强化近阀和上缸区域流动，排气阀开启后排气压差与活塞上行在排气道附近形成高速区；这些近阀流动结构为区域分辨气侧热边界提供流动基础。3.2 瞬态缸内温度场与空间分布。通过CFD显示进气期温度较低且较均匀，压缩期升温，近上止点（TDC，活塞最高位置）柴油自燃形成局部高温，燃烧期温度场强非均匀，膨胀期降温但较长时间仍较高，排气期高温产物经排气道排出并持续降温；体积加权平均温度由进气约500 K降至约300 K，压缩近TDC超过900 K，燃烧峰值约2100 K，为后续多循环分析提供气侧边界。3.3 AER对缸内温度演化影响。通过总燃料能量恒定的CFD比较AER=20%、40%、60%、80%，压缩期差异较小；峰值体积加权平均温度分别为2243.96、2240.91、2199.03、2080.17 K，峰值曲轴角均约20 °CA ATDC（上止点后）几乎不变；随AER升高，着火始点（SOC）及CA05（归一化累积放热达5%的曲轴转角）、CA50、CA90后移，燃烧持续期略增，峰值HRR降低；近阀S₁、S₂在点火后快速升温，S₃、S₄主要在排气阀开启后升温，表明AER对近阀热环境的影响具有空间非均匀性。4.1 排气阀空间温度演化与热积累。通过多循环FE计算显示阀温随循环数逐渐升高并趋稳，早期阀底响应最快，最高温度始终位于阀头底面与外缘交界；约2000—3000循环后温度分布近不变，稳定时由阀头向杆部形成明显梯度；0—5000循环内最大温度趋于稳定带，3996—4000循环在约962.65—968.25 K内波动；9个监测点整体范围为326.32—968.25 K，P1—P3温升最快且稳定温度最高，P4—P6为过渡区，P7—P9较低；P7与P9在约2500循环后交叉，反映由早期局部表面加热主导向长期内部热再分配和结构散热控制的转变。4.2 AER对稳定阀温与循环振荡影响。通过多循环FE比较不同AER，所有工况约3000循环趋稳；低AER稳定最高温度更高，AER=20%与80%差约50 K；稳定后周期振荡半幅分别为2.80、2.78、2.68、2.55 K（AER=20%、40%、60%、80%），低AER振荡略大；AER主要改变热输入幅值和周期幅值，不改变热积累模式与内部导热机制，稳定最高温度随AER单调降低。4.3 热积累衰减与稳定循环特征。通过周期间温度增量分析，各监测点ΔT随循环数衰减，初始峰值约4—5 K（如P3），约1000循环后衰减变慢，约3000循环后ΔT低于约0.03 K，末段低于约0.01 K；ΔT_MAX（周期间最大排气阀温度增量）初始超过5 K，前500循环急降，约1000循环后缓慢下降，约3000循环后低于约0.01 K；n_stable由AER=20%的3078降至AER=80%的3014，变化较小，说明稳定时间尺度主要受材料热扩散和结构导热路径控制。

讨论部分总结：该框架可捕捉规定CFD导出热边界下的多循环热积累与稳定行为，但周期重复代表性循环气侧热边界是局限，实际运行中点火、放热和排气流结构的循环波动可能引起近阀燃气温度和对流换热系数波动，本文未显式解析；预测的稳定温度和稳定循环数应视为固定工况下的名义值。CFD模型用实测缸压和HRR评价，FE热响应经网格收敛分析，支持耦合计算的数值一致性和响应趋势；未来需引入实验测得的循环分辨热边界或随机边界序列，以量化燃烧变异性对排气阀温度演化的影响。

研究结论翻译：（1）开发了一种将CFD导出气侧热边界与排气阀瞬态热传导分析耦合的计算方法，在周期性代表性循环热边界条件下评价排气阀热响应；该方法构建排气阀周围时间分辨热边界条件，并解析数千发动机循环内的累积热效应。（2）在重复代表性循环热负荷下，排气阀经历明显热积累；温升在运行早期最显著，尤其前1000循环，根据周期间温度增量判据，约3000循环（对应225 s）接近热周期稳态。（3）多循环过程中排气阀温度场保持空间非均匀；最高温度始终位于阀头底面与外缘交界附近，表明该区域为当前工况下主要热关键区。（4）AER主要影响稳定温度水平；AER由20%增至80%时，稳定最高阀温降低约50 K；热稳定所需循环数仅由3078略变至3014，表明所研究条件下热稳定对AER依赖较弱。工程上，预测的热点位置、稳定温度水平和热稳定时间尺度为ADDF运行下排气阀热设计、材料评价和耐久性评估提供定量热边界信息；所研究AER范围内稳定最高温度约50 K变化表明确定代表性热条件时应考虑AER。本文周期重复代表性CFD循环气侧热边界并采用周向平均边界的二维轴对称阀模型，因此未直接解析循环间燃烧变异性和局部周向温度非均匀性，且未包含纯柴油参考工况，这些局限有待未来数值研究解决。